硕士学位论文-数字视频处理芯片架构设计及核心去隔行算法实现.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 数字视频处理芯片架构设计及核心去隔行算法实现 姓名刘志恒 申请学位级别硕士 专业软件工程集成电路 指导教师杨莉;战嘉瑾 20080501 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 iii 页 摘 要 随着技术的发展和人们生活水平的提高对高清晰、高画质的影 像设备的要求也越来越高。传统的电视系统已经难以满足人们的需 要。特别是随着近几年平板显示技术日益成熟已逐渐取代传统的阴 极射线管电视成为市场的主流。 本文根据高集成度视频处理芯片的实际开发经验 首先介绍高集 成度的数字视频处理芯片的架构然后对芯片中使用的核心技术之 一去隔行算法的实现进行了重点介绍该基于时空权重和边缘的运 动自适应去隔行算法采用四场的运动检测方法 并利用数学形态学技 术对运动检测的结果进行处理以提高运动检测的精度结合基于图 像边缘特征的场内插值和时间空间的三维权重计算技术将输入的隔 行信号转换成逐行信号输出。 最后对如何实现芯片的可测试性设计以提高芯片的测试覆盖 率降低芯片的测试成本进行了讨论。 关键词去隔行运动自适应运动检测可测试性设计 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract 第 v 页 adaptive weight filter to achieve de-interlacing. at last, introduce the method how to design for test to enhance test coverage and reduce test cost. key words: de-interlacing, motion adaptive, motion detection, design for test 上海交通大学工程硕士学位论文 图片目录 第 viii 页 图片目录 图 1 芯片应用系统示意图4 图 2 芯片总体功能结构框图8 图 3 模拟和数字输入前端示意图 9 图 4 数字输入前端框图10 图 5 亮度色度瞬太改善模块结构框图12 图 6 面板上电关断时序示意图 13 图 7 mcu 控制框图14 图 8 隔行扫描与逐行扫描对比 18 图 9 去隔行示意图19 图 10 直接合并去隔行效果图20 图 11 行复制算法示意图21 图 12 基于边缘的方向相关性计算示意图22 图 13 运动自适应去隔行框图24 图 14 两种运动检测方法24 图 15 同极性两场运动检测25 图 16 同极性四场运动检测25 图 17 腐蚀和扩散处理26 图 18 运动补偿去隔行框图27 图 19 基于时空权重和边缘的运动自适应去隔行28 图 20 隔行信号场结构示意图29 图 21 32下拉检测和恢复30 图 22 考虑邻近像素的边缘搜索 31 图 23 基于边缘去隔行算法场内插值32 图 24 时空权重自适应滤波32 图 25 去隔行效果对比35 图 26 四场运动检测的实现框图 37 图 27 5x3矩阵电路38 图 28 17拍的边缘搜索38 图 29基于边缘的场内插值39 图 30 17拍边缘搜索波形图41 图 31 行同步信号时序关系图41 图 32 tmds发送器与接收器的连接 46 图 33 芯片版图47 上海交通大学工程硕士学位论文 符号说明 第 ix 页 表格目录 表 1 去隔行模块逻辑大小41 表 2 测试模式定义44 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪 论 1.1 研究的背景和意义 截至 2005 年底我国境内共有彩电企业 68 家年生产能力 8660 万台实 际年产量 7328.8万台同比增长 12%当今中国已成为年产电视机 7000万台以 上的世界第一大电视生产国然而作为这样一个生产制造大国电视产品中所使 用的核心数字视频处理芯片主要依赖进口。而伴随着入世后外资企业的产业转 移 单纯的本土整机加工企业原有的成本优势、 市场优势也将会逐渐消退。 因此 发展我国自主数字视频处理芯片技术迫在眉睫。 另外随着消费类电子行业逐渐成为产业发展关注的热点数字电视的发 展对当今的视频技术提出了更高的要求 传统的处理技术已经不能够满足数字电 视的需求需要更先进的视频显示处理技术。同时新兴产品的不断出现对原有 视频显示技术也是一个相当大的冲击如网络电视等。市场方面消费者对显示 图像的要求日趋提高高清晰、高画质的图像正是消费者所期待的这些都需要 强大的视频显示技术作为支撑。 当前电视产品的发展正处在由模拟向数字过渡的 更新换代时期也正是国内数字视频处理类芯片产品迎头赶上、企业参与新的电 视产业链整合的大好时机。 在数字视频处理领域处于领跑地位的国外和我国台湾地区的企业已经积 累了相当丰富的经验拥有一批非常熟练的技术开发人员也创造了良好的市场 信誉。其中显示数字视频处理芯片的主要供应商多为北美、欧洲、中国台湾等地 区的公司其中 genesis已被意法半导体收购 、pixelworks、trident、philips、 mstar 等公司处于领先的地位他们已经率先开发出多种型号、针对不同应用要 求的数字视频处理芯片并已大面积占领、覆盖整个视频显示处理市场。 国内企业对数字视频处理系统的关注越来越多但是目前大都处于开发初 级阶段产品也多限于外围电路部分在功能、性能、集成度以及稳定性上还达 不到国外产品的整体技术水平。随着国内、国际市场需要以及电子产业的不断发 展国内外企业纷纷加强开发力度针对当前数字视频处理应用领域来多层次、 多应用地进行开发在提高芯片集成度、提升处理质量、缩短芯片开发周期等方 面谋求突破。 尤其是随着集成电路设计水平、 生产工艺的不断改进 在数字电视、 网络电视等众多新型应用领域的市场推进下系统级芯片soc设计技术的概 念也开始引入到数字视频处理领域之中 并终将进一步推进国内数字视频处理芯 片技术的进一步发展。 近年来随着中国加大信息产业的政策以及市场引导中国已经成为世界信 息产业的投资热土作为其核心的集成电路产业规模也得以迅速扩大在 2000 年到 2004年的 4年间 我国集成电路产量和销售收入的年均增长速度超过 30% 到 2004年中国集成电路产业规模已经达到 545.3亿元比 2003年大幅增长了 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 55.4%。 相较发展迅猛的产业规模 作为集成电路产业龙头地位的芯片设计技术 上也开始谋求跨上一个新的台阶 产业重心开始实现由芯片制造业向着芯片设计 业的战略转移与共同发展。 国内集成电路行业的设计技术水平正在发生日新月异 的变化。与此同时国内芯片制造、封装和测试行业的良好发展在客观上给芯片 设计业提供了一个良好的实现平台和产业环境。 在集成电路产业突飞猛进的同时 正如中国半导体行业协会理事长俞忠钰在 2005 年初举行的“2005 中国半导体市场年会”上所指出的一样目前我国集成电 路产业正遭遇两大发展瓶颈 其中之一即芯片设计企业与下游整机企业缺乏战略 联动。瓶颈的背后也同样意味着机会的存在。为了提升核心竞争力、打破国内电 视机核心芯片由国外一统天下的局面技术立企的海信早于 2001 年成立了专门 的集成电路开发部门依托在数字视频处理领域 30 多年的技术积累积极进行 集成电路设计技术、人才储备已经具备将多年的数字视频处理技术储备与大规 模集成电路设计技术结合在数字视频处理领域取得突破所需的各种条件。尤其 是前一代“信芯”芯片的正式商用成功彻底为当前“数字视频处理系统级芯片 研发及产业化”项目在技术积累、人才储备、市场应用等各个方面开创了非常良 好的局面。 开发“数字视频处理系统级芯片研发及产业化”项目将有助于国内电视整机 企业开发出具有自主知识产权的整机系统拉近产业链上下游关系充分享受技 术协同的好处对产品设计的周期缩短大有帮助从而大大提高国内整机企业的 技术水平和核心竞争力。而且与国外芯片厂商同台竞技显然也能成为国内整 机商采购谈判的重要筹码。 随着技术的发展和人们生活水平的提高对高清晰、高画质的影像设备的要 求也越来越高。特别是随着近几年平板显示技术日益成熟已逐渐取代传统的 crt 电视成为市场的主流。 而平板电视应用的高集成度视频处理 soc 芯片正是针对平板显示器件的特 点开发满足市场需求的高集成度视频处理芯片。 该芯片将集成 3通道的高速 adc 支持全制式的彩色解码器 hdmi 接收器 mcu双路 lvds 发送器以及高性能图像格式变换画质改善等模块形成一 高集成度的片上系统soc芯片。通过该课题的实施将有助于进一步提升我 国大规模集成电路的设计水平提升我国电视产业的国际竞争力。 1.2 论文的工作和创新 本文所述的视频处理芯片是公司根据市场需求而开发的一颗针对平板电视 应用的具有市场竞争力的高集成度的 soc芯片。 根据市场需求报告设计出芯片的规格书和具体芯片架构方案然后根 据该架构进行人员的分工 介绍了各种已有的去隔行算法并分析了他们各自的优缺点。通过对已 有的各种去隔行算法分析结合现有电视系统和人眼的生理特征以及 不断的技术分析与实验设计出该具有自主知识产权的基于时空权重和 边缘的运动自适应去隔行算法其中第一代算法已申请国家专利新的 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 专利正在准备申请中。 根据现有芯片测试方法和测试仪器的性能提出该芯片的测试方案以 满足测试覆盖率和测试成本的要求。 1.3 论文的章节安排 第一章简单介绍研究的背景和意义确定论文的实现方法第二章根据市场 需求确定芯片在实际应用系统中的位置对芯片的架构进行设计。完成软硬件 的划分模块的划分以及各个模块的功能定义和模块的互连第三章介绍了已有 的各种去隔行算法和自有的基于时空权重和边缘的运动自适应去隔行算法 第四 章根据芯片的实际情况阐述了芯片的可测试性设计的实现第五章对全文进行 了总结并对未来的工作方向进行展望。 1.4 本章小结 本章介绍了项目的背景和意义确定主要工作和创新点。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 2.1 数字视频处理芯片应用系统 随着技术的进步特别是大规模集成电路制造和设计技术的发展越来越 多的功能被集成到单一芯片中形成一个独立的片上系统soc system-on-chip 极大提高了整机应用系统的稳定性降低了应用系统的复杂 度和成本。 数字视频处理芯片的发展也遵循这样的趋势越来越多的功能被集成到主 芯片内部 从最初的只有缩放和去隔行 de-interlace 功能 到现在 adc、 video decoder、osd、hdmi、mcu 和 lvds输出等功能都集成到芯片内部以及将 来进一步集成伴音、中放(pifsif)等。 本文所述的数字视频处理芯片是一颗针对平板电视lcdpdp等应用 的高集成度的芯片。芯片集成了 hdmi 接收兼容 dvi 3通道 adc(模数转 换)、video decoder、mcu、osd、去隔行、缩放、画质改善电路、lvds等多 个功能模块形成对于视频信号处理的单芯片方案。如图 1所示。 由于芯片集成度高故应用系统外围电路简单。支持各种模拟视频信号输 入vga输入同时包含 16bit数字输入接口支持 6561和 6012输入格式并 且内置高速hdmi接口输出同时支持lvds和ttl接口屏。 plls panelpanel micro- processor rf tuner rf tuner video decoder rgbrgb left right pr pb y left right pr pb y audio processoraudio processor di, scaler nr, lcti, video enhancement osd triple adc hdmi rx dither vbi lvds sdram ctrl sdramflash power supply speaker left right comp s-video left right comp s-video 图 1 芯片应用系统示意图 figure 1 application system block diagram 第 4 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 第 5 页 2.2 数字视频处理芯片系统 明确芯片在应用系统中的位置是进行架构设计的第一步根据芯片在应 用系统中的位置我们就可以定义芯片的输入输出接口所需实现的功能、性 能和电器特性等然后我们就能够对模块进行划分确定每个模块的功能模 块之间相互连接的关系包含信号间的时序关系。这样才可以开展并行设计的 工作并保证最终整合到一起后不会出现问题。 由于该芯片内嵌了 mcu所以我们还需要考虑哪些功能可以由软件来实 现哪些功能必须由硬件来实现以满足成本和可配置性的要求增加芯片的 应用范围延长芯片的生命周期。 如图 2所示例如输入的射频rf信号经调谐器tuner解调和中频放 大后送入芯片的模拟输入管脚片内模数转换器将输入的模拟信号转换成数字 信号通过数字视频解码将亮度信号y和色度信号c分离然后由去隔 行和缩放模块根据最终显示屏的分辨率完成采样率转换经过画质增强最后 输出到显示屏显示出来。并且整合 osdon-screen-display 方便用户的操作 和使用内嵌高性能的 mcu有效降低应用系统成本除了完成内部电路和片 外器件如 tuner的控制外还可用于图文teletext解码等功能。用户完 全可以根据市场需要开发出具有不同特点的产品。 下面将简单介绍该芯片的主要技术特点并如图 2 所示主要按照数据的 流向通过对各个模块的主要功能和各模块间的连接关系的说明来阐述该数 字视频处理芯片的架构。 技术特点 输入信号 模拟开关 1tv 1scart1cvbs+rgb+fb 2yc 或 1scart+(1cvbs/1yc 1cvbs 1ycbcr/ypbpr 1rgbvga 1 路可编程模拟输出同 scart out 包含一组 16bit 可配置数字输入接口 全面支持 1080p 在内的 hdtv 信号 输出信号 逐行信号输出 可配置 lvds srswing range输出 24 位单路 ttl 输出或两路 lvds 输出 解码器 vcr 非标支持 支持图文1.5 版本 、cc/v-chip 2d/3d 自适应梳状滤波器 支持 ntsc 以及 pal、secam 制式 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 第 6 页 实现视频信号的亮度、色度、对比度、色调可调 内建输入信号的自动检测电路 模数转换 采样频率最高 165mhz 支持 10bit 数字信号输出 支持同步信号(sog,soy)的自动分离 内建相位自动校正电路 auto offset、auto gain、相位可调 微控制器 外部寻址能力高达 8mbit 包含 3 组 8bits gpio 内置 4 路低速可复用 8 位 adc 支持在线调试 内置一组硬件 i2cmaster/slave 可选 如需多组 i2c可使用 gpio 端口软件模拟其中 4 个端口内置弱上拉上电默认为开漏方式 内置看门狗电路 3 路 pwm 输出8/16bits 可选 支持待机低功耗设计睡眠模式 osd 256 色 osd 基于字符设计 前景、背景可单独特性控制32 级 alpha 混合 osd 显示 ram 内置 osd 勾边、阴影支持 osd 多级缩放4 级 osd 滚动支持 osd 开发工具、状态机、事件管理 去隔行处理 2d/3d 去隔行算法 先进的图像搜索算法使得图像的小角度运动锯齿降至最低 图像内容自适应的搜索去隔行算法 缩放处理 改进的图像缩放算法 针对场景任意区域的截取缩放 43 与 169 显示格式的相互转换 后端显示处理 图像信号的边缘锐化、增强处理 白平衡以及亮度/对比度调整 10 位 gamma 校正 动态蓝电平延伸、黑电平延伸有效增强显示效果 亮度、色度瞬太改善 肤色校正 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 第 7 页 背光、上电、lvds 输出控制时序单独控制 应用 pdp 以及液晶电视 封装 208 脚 qfp 封装 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 第 8 页 vbi data digital front- end digital input port afe analog switch video decoder csc (rgb2 yc) fresh tone awf/ di scaling video-enh ancement gamma 3x3 matrix osd blend osd gen dither output unit mcu 8/16bit dig rgb/ypbpr s_video cvbs flash lvds panel hdmi rx hdmi tx sdram ctrl sdram 图 2 芯片总体功能结构框图 figure 2 functional block diagram 上海交通大学工程硕士学位论文 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 2.2.1 模拟输入前端 rgb/ ypbpr svideo hdmi tx input processor digital input port adc analog switch video decoder osd blend osd gen 8/16bit cvbs lvdspanel hdmi rx video processor 图 3 模拟和数字输入前端示意图 figure 3 analog and digital front-end block diagram 如图 3所示模拟输入前端的主要功能是选择和捕获希望的模拟输入信号。 为了减少芯片封装管脚降低系统成本通过模拟选择开关从输入的多路信号中 选择需要的信号到模数转换器经直流恢复dc restore 钳位clamp和可 编程增益控制pga 然后模数转换器adc转换成 10bit 的数字信号输出。 对于 soysync-on-y的分量输入和 sogsync-on-green的 vga 信号 同步提取电路能够自动将同步信号分离出来 再经过后级的滤波等重建出稳定的 同步信号以产生系统时钟和其他功能模块的同步控制。 hdmi 接收模块接收外部设备输入的差分信号。hdmihigh-definition multimedia interface是新一代的多媒体接口标准中文意思为高清晰多媒体接 口该标准由索尼、日立、松下、飞利浦、东芝、silicon image、thomson (rca) 等 7 家公司在 2002 年 4 月开始发起的。其产生是为了取代传统的 dvd 碟机、 电视及其他视频输出设备的已有接口统一并简化用户终端接线提供更高带宽 的数据传输速度和数字化无损传送音视频信号并且抗干扰性好。 2.2.2 数字输入前端 数字输入前端主要功能是将输入的各种格式和不同色彩空间的视频信号进 行统一以便后级处理。同时该部分还具有输入模式检测、测试向量产生以及自 动相位校正等功能。如图 4所示。 第 9 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 图 4 数字输入前端框图 figure 4 digital input front-end block diagram 输入模式检测 该芯片支持 p al、ntsc等标清信号输入支持 1080p、1080i 和 720p等高 清格式的输入同时支持计算机输出的 vga 信号输入以及其他非标准的大部分 隔行或者逐行扫描格式的数字视频信号输入。可以接受的最大时钟输入频率为 165mhz。 该芯片的输入模式检测功能模块实时监测输入信号当输入模式发生变化 时输入模式检测模块可及时通知 mcu同时把当前模式的每场或每帧的 总行数vrtotal 每行相对参考时钟的时钟数hrtotal以及 hs和 vs的极性 报告 mcu以便计算和查找出当前模式自动正确的设置后级去隔行和缩放等 模块。 测试向量产生模块 该芯片包含一个测试向量的产生器。在调试或测试情况下为了芯片或系统 初期调试方便可以使用测试向量产生器产生特定模式的视频图像。 测试向量产生器可以产生标准彩条信号、灰阶信号、网格信号横 15条 竖 12条 、红绿蓝白黑等多种单色信号。 其信号格式包含逐隔行的 p al 制式以及 ntsc 制式。用户可以根据需要编 程控制。 自动相位校正 当系统上电或输入模式变换时该芯片自动启动相位校正引擎配合模数转 换器adc找出当前最佳采样相位使得图像清晰、锐利。 2.2.3 去隔行 第 10 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 第 11 页 去隔行模块主要是实现将隔行输入的标清 p al 和 ntsc 信号转换成逐行扫 描的格式输出。 使用自有基于时空权重和边缘的运动自适应去隔行算法详见第三章 能 有效的提高画面清晰度避免各种隔行扫描格式的缺陷消除运动模糊、减少图 像锯齿得到平滑、清晰的逐行图像提高视觉效果。 2.2.4 图像缩放 lcd、 pdp等平板显示器件有一个共同的特点 都是采用数字式的点阵驱动 方式都要求输入的信息为数字化的信号。并且由于其采用点阵式的驱动方式 造成了其输出的格式幅宽比、解析度是固定的如具有 1440 x 900像素的 lcd 屏其输出的图像格式只能是 1440 x 900否则就可能显示不满屏或者 不完全甚至不能显示。但是作为显示设备的输入信号不可能仅仅是一种采样率 格式而可能是从 p al 制720 x 576i 、ntsc720 x 480i制的标准清晰度 视频sdtv信号到高清晰度视频hdtv信号480p、720p、1080i 、从 vga640 x 480到 qxga2048 x 1536的分辨率。因此需要将输入信号 源的采样率重建为各种不同的显示器件所能兼容的格式。就拿前面的例子来说 输入信号是 vga640x480 那么它需要经过缩放处理scaling 具体的 说就是对行、场进行向上缩放从而达到 1440 x 900的面板所需要的采样率格 式。这就需要图像缩放来进行采样率转换。 芯片采用自有的第二代基于内容的图像缩放算法 对于现有的各种图像格式 和面板无论是向上还是向下缩放都能有效的保护图像的边缘并且减小斜线锯 齿特别是在大比例缩放时更为明显。 同时该模块支持两种工作模式后端独立工作模式正常工作模式。在没 有信号输入或其他应用需要时由寄存器设定电路可进入后端独立工作模式 其输出控制信号与输入源无关此时 osdon-screen-display可以正常工作。 2.2.5 画质增强 画质增强单元对经过采样率转换后的视频图像进行再处理以便更清晰锐 利符合人眼视觉偏好的图像。 主要包含图像降噪、肤色校正、亮度色度瞬太改善lcti 、边缘增强、 彩色空间变换、蓝黑电平延伸、gamma校正等。 亮度色度瞬太改善lcti 亮度色度瞬太改善lcti模块采用自适应的算法。基于局部窗口的图像 特征经过增益控制gain控制函数得到控制参数去自适应的调整和增强瞬态 信号从而有效的改善图像边缘的锐度。 电路的结构框图如下图所示 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 降噪 边沿检测 增益控制 找最大值校正 + in out 图 5 亮度色度瞬太改善模块结构框图 figure 5 lcti block diagram 彩色空间变换 其功能就是将输入的 yuv 信号转换成 rgb 信号输出。 本芯片中采用的转换公式如下 += += += 221.8845-1.733uyb 132.49420.69846v-0.33665u-yg 175.5159-1.371vyr 2-1 为便于硬件电路实现。变换如下 = 128 128 4442560 86256179 0256351 256 1 u y v b g r 2-2 蓝黑电平延伸 通过蓝电平延伸电路对图像信号进行处理可使图像高亮部分蓝色增强图 像更加明快。通过黑电平延伸电路对图像信号进行处理可以有效增强图像的对 比度改善图像的主观收看效果。 gamma 校正 el = 由于显示器件的亮度响应与输入信号电压之间是非线性关系 因此在输入信号驱动显示器前应当将输入信号做预处理。gamma 校正可以被 认为是为再现正确的亮度响应而对这种非线性响应采取的补偿措施 其校正函数 为 /1 el = 。 采用查找表lut的方法实现对输入信号的 gamma校正。系统上电后 mcu 将预设的 gamma值写入到 gamma查找表(ram256x10)中。并且为了减小 图像中的亮暗处的灰度级的损失采用 10位 gamma校正的方法。 彩色抖动 当选择数字口输出时就可能会面对不同型号的显示器件有显示效果出色 的 8 位、12 位面板也有价格低廉的 6 位面板。而电路内部处理的信号宽度是 10位的。要将 10位的视频信号正确的显示在 8位或 6位的面板上就涉及到彩 第 12 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 色抖动的问题。 该芯片采用误差扩散的抖动方法即使在 6位的面板上显示也可以避免出 现灰度级合并现象。 2.2.6 输出控制 输出控制主要根据不同面板规格可以提供单通道双通道选择兼容不容 同的 lvds传输规格面板上电、关断时序控制等。 lvds 输出控制 lvds是一种低电压差分高速传输标准可实现高达千兆的串行数据传输 其具有传输速率高传输距离远抗干扰能力强等特点。目前许多 lcd 显示屏 都已经采用 lvds作为显示数据的接口。这就需要有一个 lvds接口将 ttl 电 平格式的数字 rgb 信号转换为 lvds信号。 输出控制模块根据寄存器的值将 r、g、b 颜色分量信号和同步 vs、hs 和 de映射成各种 lvds屏要求的输出格式或者 ttl 输出。 面板上电、关断时序控制 当输出数据和控制信号稳定后 通过两条单独的管脚控制液晶显示面板的电 源和背光的开启与关断。且其中的间隔时间完全可编程。 如图 6所示 panel_power 由一寄存器控制 当该寄存器为高时 panel_power 马上变为高电平然后等待 t1时间屏的供电稳定后dcr_on打开dcr动 态对比度部分屏支持此功能 t2时间后data_ctrl 有效将视频数据和同步 控制信号放到输出总线上在不支持 dcr 功能的屏214ttt+= 最后再等 待 t3时间把背光打开至此完成整个上电过程其中 t1、t2、t3和 t4都可 通过寄存器控制 以满足不同面板的要求。 关断是上电的逆过程 原理是一样的。 通过这样的时序控制不仅能够有效的保护面板和背光等还可避免在上电和关 断过程中看到非正常的画面。 第 13 页 图 6 面板上电关断时序示意图 figure 6 panel power sequencing(power on and power off) panel_lamp data_ctrl panel_power t1 t1 dcr_on t3 t3 up t4 t2 t4 t2 dn 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 2.2.7 osdon-screen-display发生器 本设计所用到的 osd 是基于字符结构的显示。可用于开发友好的人机接口 界面方便最终用户使用以及图文的显示支持 teletext1.5的所有特点并可 以基于该 osd 和 mcu开发一些相对简单的游戏和工具如日历 增加应用 系统的功能。 2.2.8 sdram 控制器 为了实现视频处理芯片中 3d 梳状滤波、去隔行等模块对大量数据不间断的 读写需求本芯片需要一片外挂 sdram。这个 sdram 由 sdram 控制器控 制大小根据用户需要决定支持 16128mbit。 2.2.9 mcu 图 7 mcu 控制框图 figure 7 mcu system block diagram 第 14 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 数字视频处理芯片的架构设计 第 15 页 内嵌一颗增强型的 8051mcu性能是标准结构的 8051 的 10 倍以上。使用 高性能的 mcu 以满足系统的控制、osd 以及图文解码(teletext)等应用需求。 mcu 及其外设如上图所示。下面简要介绍其周边部分模块 电源管理单元 该单元具有先进的省电和唤醒机制 以便在待机时 降低芯片和系统的功耗。 具有两种工作模式停止模式和低功耗模式。 停止模式通过关断系统时钟来实现。在该模式下依靠系统时钟工作的内部 中断看门狗watchdog timer 内部定时器均会停止工作。此时系统的功耗 最低但只能通过外部中断来唤醒。当然系统复位也能达到唤醒的目的不过此 时处理器将从程序的起始地址0x0000开始执行。 低功耗模式通过降低系统运行时钟来实现 具体的频率可以通过动态的软件 编程来控制。所以在这种模式下除了外部中断和复位外内部定时器事件也可以 快速的唤醒 mcu进入全速操作模式。 在线编程与调试 内置在线调试单元通过 jtag端口与外部的调试工具和电脑连接支持实 时的在线编程和调试以缩短软件开发周期。 另外还包含 2 个定时/计数器一个比较/捕获器可用于脉冲信号产生脉 冲宽度调制pwm等。看门狗watchdog timer会自动检测系统运行状况 当软件运行混乱时自动复位。 全双工的异步串行通信接口uartuniversal asynchronous receiver and transmitter 同时支持发送和接收内置 i2c 支持全部三种传输的模式的 i2c 控制器用于外部器件控制。 2.3 本章小结 本章首先说明芯片在实际应用系统以及在实际应用系统中的位置 然后详细 介绍了芯片的架构模块的划分以及各个模块的功能和模块间的互连。 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 运动自适应去隔行算法 第三章 运动自适应去隔行算法 3.1 传统的模拟电视与数字电视 我们面临的时代特点是通信、电视、无线电广播技术和设施迅速发展传 送各种各样信息的需求不断增加。随着上个世纪初电视开始出现到 21 世纪 的现在电视早已成为大众平时娱乐和获取信息不可或缺的工具与平台。同时 电视的规格也在不断的发展与进步 从早期的黑白电视发展到彩色电视直到现在 世界各国正在争相抢占先机的数字电视。电视画面的色彩不断的增加分辨率也 不断地提高这一切都为了让观众拥有更清晰逼真的画面和视觉享受。 至于传统的模拟电视与数字电视的区别是什么可能许多人认为液晶电视 等离子等平板电视就是数字电视其实不然。数字电视最主要的特点是将电视信 号包括图像与伴音信号以数字形式进行处理、存储和传输。目前数字电视 还在发展过程中市场上的电视主要还是“数字处理电视” 即电视接收的依然 是模拟的电视信号通过模数转换器(adc)将模拟信号转换为数字信号然后以 数字的形式进行处理以提高画面和声音效果最后将图像画面在显示器件上显 示出来包括 crtlcd 以及 pdp 等 。同时在模拟电视向数字电视转换的 过渡期间为了与旧有的电视系统兼容必须将传统模拟电视的功能做上去并 且以各种不同的技术来提高传统电视信号的画质 以便支持高分辨率和逐行扫描 的新型显示器件。 在这当中 去隔行技术对画质有举足轻重的影响。 所谓去隔行 就是将隔行扫描的电视信号 包含传统的经数字化转换后的模拟电视信号以及隔 行的数字电视信号如 atsc的 1080i转换成逐行扫描的信号以便输出。 3.2 隔行与逐行 crt阴极射线管电视的画面是以电子枪高速的从左打到右从上打到下 来显示。然后被打到的地方又会慢慢的暗掉因此为了显示稳定连续的画面 电子枪在偏转线圈的控制下不断的重复这个过程。根据人眼的视觉惰性在最大 亮度等于 100尼特时刚好不感觉到闪烁的最低频率临界闪烁频率近似等 于 45.8hz。电影和电视正是利用人眼的这种视觉惰性产生活动图像的。在电影 中每秒放 24 幅固定的画面而电视每秒传送 25 幅或 30 幅图像由于人眼的视 觉暂留特性从而在大脑中形成了连续活动的图像。为了不产生闪烁感觉在电 影中每幅画面曝光两次其闪烁频率为=48hz电视中过去由于受技术的限 制电子枪的扫描速度无法达到全画面每秒 50次因此采用了一种折中的方式 即隔行扫描方式每帧幅画面用两场传送使场频=50hz 或 60hz高 于临界闪烁频率因此正常的电影和电视都不会出现闪烁感觉并能呈现较好连 续活动的图像。 k f v f v f 但是隔行显示技术也给电视系统带来了很多的缺陷概括起来主要有 行间闪烁在英国有些研究人员将这个称为“颤抖” 指的是屏幕上的物 体的水平边缘所造成的闪烁效果。 产生这种效果的原因是摄像机的分解力过高或 第 16 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 运动自适应去隔行算法 第 17 页 者人造图像。 例如 奇数场的第 51行是亮的 而紧邻的偶数场的第 52行是黑的 则表现为图像中某个物体边缘的第 51 行就以 30hz 的速率在屏幕上闪烁而让 人感觉不适。 爬行由于在现代阴极射线管(crt)显示器中使用的是短余辉荧光粉因而 荧光屏上单行亮度的衰减非常快1/60 秒后即在上面出现新的一行(下一场的一 部分)。人眼很容易跳到新的上一行而这一新行又被上面离得很近的另一新行 所跟着 依次类推。 最终爬完一个荧光屏高度。 人眼一旦盯住了这种爬行的图案 比如在 ntsc系统 他看到的就不再是 480行图像 而是仅仅包含 240行的图像 所以图像质量受到损失。 垂直混叠垂直混叠也是由 crt 的短余辉荧光粉所引起的它是对一场只 有一半有效行垂直细节的图像取样的结果 所产生的网纹图案理应为下一场产生 的同类图案所抵消但从人眼和屏的组合并末使两场完全合成整体其结果是在 屏幕上伴随垂直细结产生异常的混乱。 移动物体的垂直和对角线轮廓会发生畸变 当垂直方向相邻的图像像素在前 后两场以不同时间出现时就会发生这种畸变。由于一帧图像分两场扫描一行上 的某个像素会比它在前一场中垂直相邻的像素的时间晚 1/50秒p al 制 。如果 景物中的物体是平稳的那么不会造成不好的影响。但如果物体是快速运动的 上面所说的延迟会使得本来相邻的像素发生位移 第二场的这个像素会在第一场 垂直相邻像素的右边出现这时候图像就会显示一连串的阶梯锯齿使图像的轮 廓不够清楚。 隔行扫描技术不但在图像显示上有以上这些先天的缺陷 同时随着技术的发 展显示设备的速度和带宽都增加了完全能够满足逐行扫描的要求。逐行扫描 和隔行扫描的重要差别在于